仅需25秒！山东科技大学开发高性能燃料电池阴极：高功率、耐CO₂、稳定运行250小时
导读：中温固体氧化物燃料电池要降低工作温度，首先要跨过阴极氧还原反应变慢这道门槛；而含Sr钙钛矿阴极又容易受CO2侵蚀。山东科技大学Ye Han团队将Bi0.5Sr0.5FeO3−δ（BSFO）与Ce0.8Pr0.2O2−δ（CPO）复合，并以800 ℃、25 s高温冲击处理，构筑兼具局域应变和富氧空位的紧密异质界面。所得HTS-BSFO-20CPO在700 ℃下的面积比电阻降至0.085 Ω cm2，单电池在750 ℃下实现1.46 W cm−2峰值功率密度，并在395 mA cm−2下稳定运行250 h。
固体氧化物燃料电池（SOFC）可以高效地把燃料化学能转化为电能，但传统高温运行会带来电极烧结、元素互扩散、热膨胀失配和密封失效。把温度降至600–800 ℃有助于延长器件寿命、降低系统成本，却会显著拖慢阴极侧氧吸附、解离、还原和氧离子迁移等连续步骤。
BSFO具备较好的混合离子-电子导电与氧还原活性，但Sr位点容易与CO2发生副反应并形成碳酸盐。CPO的萤石结构有利于氧离子输运，也能削弱CO2吸附；问题是CPO电子电导率偏低，加入过多会切断BSFO中的连续电子通路。因此，材料设计不能停留在“多加一种离子导体”，而要同时回答三个问题：加多少、界面是否真正紧密、这种界面能否在短时间内保留下非平衡缺陷。
01/从5小时到25秒：先确定20 wt% CPO，再改变热处理节奏
图1｜常规炉与高温冲击的温度程序及物相对比
作者先用一锅溶胶-凝胶法制备BSFO-xCPO（x=0、10、20、30 wt%）。常规样品需要以5 ℃ min−1升温，先在600 ℃预煅烧4 h，再于800 ℃煅烧5 h。阻抗筛选显示，20 wt% CPO达到最佳平衡：常规BSFO-20CPO在700 ℃下的面积比电阻（ASR）为0.17 Ω cm2；继续提高CPO含量，低电子电导率的CPO会破坏BSFO电子渗流网络，极化反而加重。
在此基础上，作者把前驱体粉末均匀铺在镍箔上，置于360 × 360 × 360 mm3定制反应腔内，在静态空气、无额外气流条件下快速升至800 ℃并保持25 s。与超过5 h的常规炉处理相比，HTS把高温停留压缩到秒级。XRD仍只观察到BSFO钙钛矿相和CPO萤石相，没有可检测杂相，说明超快处理改变的是结晶与缺陷演化路径，而不是牺牲目标物相。
“25秒”应该怎样理解？
它指HTS阶段在800 ℃的保持时间，不包含溶胶-凝胶前驱体制备、粉末铺放、电极制备和单电池装配。这个数字准确体现了高温处理节拍的压缩，但不能直接等同于一块完整电池从投料到出厂的制造周期。
02/抑制晶粒粗化：把“界面面积”先做出来
图2｜HTS与常规样品的形貌及元素分布
常规煅烧给了晶粒充分长大的时间，所得BSFO-20CPO呈现粗大、高结晶度颗粒，可暴露的表面位点有限。HTS样品则由更细小的纳米颗粒团聚而成，孔隙更丰富。对SOFC阴极而言，这不只是“颗粒更小”：更大的气体可达界面意味着更多氧分子能够接近反应位点，也为后续表面交换和电荷转移提供更短路径。
TEM-EDS进一步显示，HTS-BSFO-20CPO中Bi、Sr、Fe、Ce、Pr和O等组分分布均匀，没有明显元素偏析。也就是说，秒级处理并未形成彼此孤立的两堆颗粒，而是在较细尺度上完成了BSFO与CPO的复合组装，为紧密异质界面提供了空间基础。
03/快速升降温，把本应松弛掉的局域应变“冻结”在界面
图3｜BSFO/CPO异质界面的晶格条纹、位错与应变分布
HRTEM在同一区域分辨出两套晶格条纹：0.317 nm对应CPO（111）晶面，0.283 nm对应BSFO（110）晶面，二者之间形成连续、紧密接触的异质界面。界面附近的BSFO晶面间距扩大至约0.285 nm，逆傅里叶变换还能看到位错，说明这里并非完全弛豫的理想晶格。
几何相位分析给出的εxx应变图显示，HTS样品的BSFO/CPO界面附近存在更明显的拉伸应变。常规长时间煅烧允许原子逐步重排、晶粒长大，界面应变有机会释放；HTS则利用快速升温和冷却阻止其完全松弛，把局域应变与位错保留下来。应变会改变金属-氧键长和局域配位环境，从而为氧空位形成与界面电荷重排创造条件。
04/氧空位增加62%，性能增益主要落在表面氧交换
图4｜氧空位证据、ASR、DRT与活化能
EPR给出了直接的缺陷对比：HTS-BSFO-20CPO的氧空位相关信号为2.304 × 1013 spins g−1，常规样品为1.429 × 1013 spins g−1，前者提高约62%。O 1s XPS与此相互印证：HTS样品吸附氧占比由30.43%升至33.65%，Oads/Olat由0.47升至0.53。更多氧空位意味着表面可用于氧吸附和活化的缺陷位点增加，也有利于氧离子在晶格中的迁移。
性能变化与缺陷演化保持一致。HTS-BSFO-20CPO在700 ℃下的ASR仅0.085 Ω cm2，相较常规同组成样品的0.17 Ω cm2降低50%；表观活化能也由1.51 eV降至1.30 eV。更重要的是，DRT并未显示所有氧还原子过程同步改善，主要差异集中在10–103 Hz的中频区，对应氧吸附/解离和表面氧交换。这把“性能更好”进一步定位为：HTS最显著加速的是阴极表面的氧交换步骤。
05/从比表面积到O p带中心：界面如何加快ORR
图5｜比表面积、O p态密度、氧分压依赖与ECR动力学
HTS样品的BET比表面积为12.5508 m2 g−1，接近常规样品6.9744 m2 g−1的1.8倍。形貌细化增加了可接近活性位点；异质界面则从电子结构层面继续降低反应阻力。DFT表明，形成BSFO-CPO界面后，O p带中心向费米能级靠近；引入HTS相关氧空位后进一步上移，反映界面电荷重排和p-d轨道杂化增强，有利于表面氧化还原与电荷转移。
氧分压依赖把不同频段对应的步骤区分开来：高频区反应级数n=0.288，主要关联电荷转移；中频区n=0.463，表面氧交换占主导；低频区n=0.974，对应气相氧扩散。700 ℃下，当氧分压由空气切换至0.10 atm时，HTS样品更快达到新平衡。其表面氧交换系数K0约为8.51 × 10−4 cm s−1，高于常规样品的6.65 × 10−4 cm s−1；体相氧扩散系数D0也由6.20 × 10−5提高至7.05 × 10−5 cm2 s−1。
图8｜氧空位形成能与O2吸附能的理论验证
计算进一步说明，异质界面使氧空位更容易生成：BSFO-CPO、纯BSFO和CPO的氧空位形成能分别为0.53、1.87和0.79 eV，含氧空位的HTS-BSFO-CPO在所比较体系中最低。与此同时，O2吸附能由BSFO-CPO的−0.08 eV调节至HTS-BSFO-CPO的−1.44 eV。这里的作用不是单一追求“吸得越强越好”，而是与低空位形成能、上移的O p带中心共同重塑氧吸附、解离和迁移的连续能量路径。
06/不仅活性更高：CO2耐受、峰值功率与250小时稳定性
图6｜10 vol% CO2暴露下的阻抗、碳酸盐信号与吸附能
作者在700 ℃、10 vol% CO2气氛下测试耐受性。两种样品的极化电阻都会随暴露时间增加，但HTS-BSFO-20CPO上升更慢；切回空气2 h后，HTS样品几乎恢复至初始状态，常规样品则未能完全恢复。经过12 h CO2处理，常规样品在860和1445 cm−1处的碳酸盐吸收更强，表明其表面碳酸盐积累更严重。
DFT给出的CO2吸附能依次为：BSFO −0.74 eV、CPO −0.10 eV、BSFO-CPO −0.06 eV、HTS-BSFO-CPO −0.045 eV。由此可见，耐CO2提升首先来自CPO显著削弱BSFO对CO2的亲和力，HTS诱导的额外氧空位则进一步减弱界面结合，降低Sr位点发生碳酸盐副反应的倾向。
图7｜单电池输出性能及750 ℃长期运行
在NiO-SDC｜SDC｜复合阴极构型的单电池中，HTS-BSFO-20CPO在750 ℃下达到1.46 W cm−2峰值功率密度，并明显高于相同温度下采用常规BSFO-20CPO阴极的电池。耐久性测试则固定在750 ℃、395 mA cm−2：连续运行250 h后，电压由约0.69 V降至0.66 V，衰减低于5%，未出现突发性失效。至此，文章完成了从结构、缺陷和动力学到实际单电池输出的证据闭环。
总结与展望
这项工作的核心贡献，是把“复合阴极”和“非平衡热处理”组合成一条连贯的结构调控路径：20 wt% CPO提供氧离子输运与弱CO2吸附界面，25 s高温冲击抑制晶粒粗化并冻结局域拉伸应变和位错，界面电荷重排与氧空位富集共同推动O p带中心上移，最终主要加快表面氧交换。0.085 Ω cm2的700 ℃ ASR、1.46 W cm−2的750 ℃峰值功率密度以及250 h稳定运行，使这条机制链不只停留在表征层面。
仍需看到，论文展示的是定制反应腔和镍箔承载条件下的实验室尺度处理，尚未给出大面积粉体床层的温度均匀性、批次一致性、连续化产能和全流程能耗；250 h测试也不足以替代千小时级寿命与热循环验证。后续若能把超快热历史、缺陷浓度和电极制备窗口建立成可放大的定量关系，这种方法才有望从“快速得到高活性粉体”进一步走向可重复的电极制造工艺。
论文信息：Qi-Hui Wang, Zi-Cheng Wang, Pi-Rong Shi, Ming-Ze Li, Rui Liu, Peng Qiu, Xiang-Nan Wang, Bo Gao, Ye Han. Tight heterointerface engineering enabled by high-temperature shock: A fabrication strategy of high-performance composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells.
通讯作者：韩野，山东科技大学材料科学与工程学院
期刊：Ceramics International，2026年8月3日在线发表
DOI：10.1016/j.ceramint.2026.08.005